Luận án Nghiên cứu cải thiện hiệu năng truyền dẫn quang qua không gian tự do trong hệ thống phân phối khóa lượng tử biến liên tục

x BỘ THÔNG TIN VÀ TRUYỀN THÔNG HỌC VIỆN CÔNG NGHỆ BƯU CHÍNH VIỄN THÔNG PHAN THỊ THU HẰNG NGHIÊN CỨU CẢI THIỆN HIỆU NĂNG TRUYỀN DẪN QUANG QUA KHÔNG GIAN TỰ DO TRONG HỆ THỐNG PHÂN PHỐI KHÓA LƯỢNG TỬ BIẾN LIÊN TỤC LUẬN ÁN TIẾN SĨ KỸ THUẬT Hà Nội, 2023 BỘ THÔNG TIN VÀ TRUYỀN THÔNG HỌC VIỆN CÔNG NGHỆ BƯU CHÍNH VIỄN THÔNG PHAN THỊ THU HẰNG NGHIÊN CỨU CẢI THIỆN HIỆU NĂNG TRUYỀN DẪN QUANG QUA KHÔNG GIAN TỰ DO TRONG HỆ THỐNG PHÂN PHỐI KHÓA LƯỢNG TỬ BIẾN LIÊN TỤC Chuyên ngành: Kỹ thuật Viễn thông Mã số: 9.52.02.08 LUẬN ÁN TIẾN SĨ KỸ THUẬT NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC: 1. PGS.TS. Đặng Thế Ngọc 2. PGS.TS. Lê Hải Châu Hà Nội, 2023 i LỜI CAM ĐOAN Nghiên cứu sinh xin cam đoan đây là công trình nghiên cứu của chính mình. Các số liệu, kết quả trong luận án là trung thực và chưa từng được công bố trong bất cứ công trình của bất kỳ tác giả nào khác. Tất cả các kế thừa của các tác giả khác đã được trích dẫn. Người cam đoan Phan Thị Thu Hằng ii LỜI CẢM ƠN Trong quá trình nghiên cứu và hoàn thành luận án này, nghiên cứu sinh đã nhận được nhiều sự giúp đỡ và đóng góp quý báu. Lời đầu tiên, nghiên cứu sinh xin được bày tỏ sự biết ơn sâu sắc tới các Thầy hướng dẫn, PGS.TS. Đặng Thế Ngọc và PGS.TS. Lê Hải Châu, đã định hướng và liên tục hướng dẫn nghiên cứu sinh thực hiện các nhiệm vụ nghiên cứu trong suốt quá trình thực hiện luận án. Đặc biệt, sự hướng dẫn tận tình và những ý kiến quý báu từ PGS.TS. Đặng Thế Ngọc đã giúp nghiên cứu sinh rất nhiều trong việc hoàn thiện luận án. Nghiên cứu sinh xin được gửi lời cảm ơn chân thành tới Ban lãnh đạo, các Thầy/Cô của Khoa Đào tạo sau đại học và Khoa Viễn thông 1 của Học viện Công nghệ Bưu chính Viễn thông đã tạo điều kiện thuận lợi để nghiên cứu sinh hoàn thành nhiệm vụ. Nghiên cứu sinh trân trọng cảm ơn Trường Đại học Công nghiệp Hà Nội, đơn vị chủ quản, đã cho phép và tạo điều kiện cho nghiên cứu sinh được tham gia và hoàn thành chương trình đào tạo tiến sĩ. Nghiên cứu sinh cũng xin bày tỏ lòng cảm ơn sâu sắc đến TS. Vũ Trung Kiên, TS. Tống Văn Luyên, những người luôn hỗ trợ nghiên cứu sinh trong thời gian hoàn thành nghiên cứu. Xin chân thành cảm ơn Ban chủ nhiệm Khoa Điện tử và các anh chị em đồng nghiệp thuộc Khoa Điện tử, trường Đại học Công nghiệp Hà Nội đã luôn tạo mọi điều kiện giúp nghiên cứu sinh hoàn thành luận án. Xin được bày tỏ lòng cảm ơn tới gia đình đã kiên trì chia sẻ và động viên nghiên cứu sinh trong suốt quá trình thực hiện nội dung luận án. Hà Nội, tháng 3 năm 2023 iii MỤC LỤC LỜI CAM ĐOAN ........................................................................................................ i LỜI CẢM ƠN .............................................................................................................ii MỤC LỤC ................................................................................................................. iii BẢNG DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ ....................................................................... vi BẢNG DANH MỤC CÁC BẢNG BIỂU ................................................................... x BẢNG THUẬT NGỮ VIẾT TẮT ............................................................................xii DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU................................................................................ xvii MỞ ĐẦU ..................................................................................................................... 1 CHƯƠNG 1. TỔNG QUAN VỀ TRUYỀN DẪN KHÓA LƯỢNG TỬ QUA KHÔNG GIAN TỰ DO .............................................................................................. 8 1.1. Giới thiệu chung về bảo mật thông tin và mã hóa dữ liệu ............................. 8 1.2. Hệ thống phân phối khóa lượng tử QKD ................................................... 12 1.2.1. Sự cần thiết của hệ thống phân phối khóa lượng tử QKD ....................... 12 1.2.2. Các kiểu tấn công có thể xảy ra đối với hệ thống QKD ........................... 14 1.2.3. Phân loại hệ thống QKD .......................................................................... 15 1.2.3.1 QKD biến rời rạc DV-QKD ................................................................ 15 1.2.3.2 QKD biến liên tục CV-QKD............................................................... 16 1.2.4. Giao thức BB84 ........................................................................................ 17 1.3.Truyền thông quang trong không gian tự do FSO ....................................... 21 1.4. Truyền thông quang trong không gian tự do sử dụng vệ tinh ...................... 24 1.5. Hệ thống phân phối khóa lượng tử biến liên tục sử dụng vệ tinh ................ 25 1.6. Các tham số đánh giá hiệu năng của hệ thống QKD-FSO .......................... 27 1.7. Các yếu tố ảnh hưởng tới hiệu năng truyền dẫn quang qua không gian tự do trong hệ thống phân phối khóa lượng tử biến liên tục. ...................................... 29 1.7.1. Nguồn quang ............................................................................................ 29 1.7.2. Các bộ tách quang .................................................................................... 30 1.7.3. Các giao thức QKD ................................................................................. 30 1.7.4. Các kỹ thuật và cấu trúc trong QKD ........................................................ 31 iv 1.7.5. Kênh truyền FSO ...................................................................................... 31 1.7.6. Phân hệ xử lý tín hiệu số .......................................................................... 31 1.8. Các công trình nghiên cứu liên quan đến đề tài luận án. ............................. 32 1.8.1. Các công trình nghiên cứu trong nước ..................................................... 32 1.8.2. Các công trình nghiên cứu trên thế giới ................................................... 33 1.9. Nhận xét về công trình nghiên cứu của các tác giả khác và hướng nghiên cứu của luận án ..................................................................................................... 37 1.9.1 Nhận xét về công trình nghiên cứu của các tác giả khác .......................... 37 1.9.2. Hướng nghiên cứu của luận án ................................................................. 39 Kết luận Chương 1 ......................................................................................... 42 CHƯƠNG 2. HỆ THỐNG QKD-FSO BIẾN LIÊN TỤC DỰA TRÊN ĐIỀU CHẾ PHA ........................................................................................................................... 43 2.1. Mô hình kênh truyền FSO ........................................................................ 43 2.1.1. Suy hao trong không gian tự do ............................................................... 44 2.1.2. Suy hao do khí quyển ............................................................................... 44 2.1.3. Suy hao do trải rộng chùm tia và sự lệch hướng ...................................... 47 2.1.4. Ảnh hưởng của pha-đinh do nhiễu loạn khí quyển .................................. 49 2.2. Hệ thống QKD-FSO biến liên tục dựa trên điều chế pha ............................ 51 2.2.1. Mã hóa bit lượng tử sử dụng điều chế pha cầu phương QPSK ................ 51 2.2.2. Mô hình hệ thống đề xuất ......................................................................... 55 2.2.3. Phân tích hiệu năng hệ thống ................................................................... 56 2.2.4. Kết quả khảo sát hiệu năng hệ thống ........................................................ 60 Kết luận Chương 2 ......................................................................................... 63 CHƯƠNG 3. CẢI THIỆN HIỆU NĂNG HỆ THỐNG QKD-FSO SỬ DỤNG KỸ THUẬT TRUYỀN LẠI KHÓA VÀ CHUYỂN TIẾP .............................................. 65 3.1 Đặt vấn đề ................................................................................................ 65 3.2. Hệ thống phân phối khóa lượng tử biến liên tục dựa trên vệ tinh sử dụng kỹ thuật truyền lại khóa kiểu ARQ ....................................................................... 66 3.2.1. Mô hình hệ thống đề xuất ......................................................................... 66 3.2.2. Giao thức CV-QKD sử dụng .................................................................... 68 v 3.2.3. Kỹ thuật ARQ ........................................................................................... 68 3.2.4. Phân tích hiệu năng hệ thống ................................................................... 69 3.2.4.1. Phân tích hiệu năng lớp vật lý ............................................................ 69 3.2.4.2. Phân tích hiệu năng lớp liên kết ......................................................... 71 3.2.5. Kết quả khảo sát hiệu năng hệ thống ........................................................ 75 3.2.6. Khả năng an ninh của hệ thống đề xuất ................................................... 83 3.3. Hệ thống QKD-FSO sử dụng kỹ thuật truyền lại khóa và chuyển tiếp ........ 85 3.3.1. Mô hình hệ thống đề xuất ......................................................................... 86 3.3.2. Kỹ thuật truyền lại khóa ........................................................................... 88 3.3.3. Phân tích hiệu năng hệ thống ................................................................... 89 3.3.4. Kết quả khảo sát hiệu năng hệ thống ........................................................ 95 Kết luận Chương 3 ....................................................................................... 101 CHƯƠNG 4. HỆ THỐNG QKD-FSO ĐA KÊNH ĐA NGƯỜI SỬ DỤNG ......... 103 4.1. Mở đầu .................................................................................................. 103 4.2. Hệ thống QKD-FSO sử dụng kỹ thuật ghép kênh sóng mang phụ SCM và ghép kênh phân chia theo bước sóng WDM ................................................... 104 4.2.1. Mô hình hệ thống đề xuất ....................................................................... 105 4.2.2. Giao thức CV-QKD sử dụng .................................................................. 106 4.2.3. Phân tích hiệu năng hệ thống ................................................................. 108 4.2.4. Kết quả khảo sát hiệu năng hệ thống ...................................................... 109 4.3. Hệ thống CV-QKD đa người sử dụng với kỹ thuật CDMA quang ............ 114 4.3.1. Mô hình hệ thống đề xuất ....................................................................... 114 4.3.3. Mô hình kênh truyền .............................................................................. 117 4.3.4. Phân tích hiệu năng hệ thống ................................................................. 118 4.3.5. Kết quả khảo sát hiệu năng hệ thống ...................................................... 120 Kết luận Chương 4 ....................................................................................... 127 KẾT LUẬN ............................................................................................................. 129 CÁC CÔNG TRÌNH KHOA HỌC ĐÃ CÔNG BỐ ............................................... 132 TÀI LIỆU THAM KHẢO ....................................................................................... 134 vi BẢNG DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ Hình 1. 1. Mã hóa bất đối xứng ........................................................................ 9 Hình 1. 2. Mã hóa đối xứng ............................................................................ 10 Hình 1. 3. Mô hình hệ thống mã hóa đối xứng ............................................... 11 Hình 1. 4. Mô hình ứng dụng hệ thống QKD ................................................. 14 Hình 1. 5. Mã hóa các bit trong giao thức BB84:(a)Sự phân cực của các photon, (b) Sự phân cực thẳng, (c) Sự phân cực xiên .................................................. 18 Hình 1. 6. Sơ đồ khối của hệ thống FSO ........................................................ 23 Hình 1. 7. Kịch bản truyền tín hiệu từ Alice đến Bob với sự có mặt của Eve 25 Hình 1. 8. Cấu trúc hệ thống QKD-FSO theo các phân hệ con ...................... 29 Hình 2. 1. Chùm tia tại mặt đất và vị trí máy thu của Bob và Eve. ............... 48 Hình 2. 2. (a) Các pha được dùng trong giao thức BB84 truyền thống. (b) Các pha được dùng trong giao thức QKD sử dụng phương thức truyền dẫn khóa đề xuất. (c) Biểu đồ chòm sao được dùng trong phương thức truyền dẫn khóa đề xuất. ................................................................................................................. 53 Hình 2. 3. Sơ đồ khối hệ thống QKD-FSO dựa trên vệ tinh sử dụng giao thức CV- QKD có kiểu điều chế QPSK ở phía phát kết hợp phía thu sử dụng tách sóng kiểu heterodyne và bộ tách ngưỡng kép. ................................................ 55 Hình 2. 4. Hàm phân bố mật độ xác suất của tín hiệu Bob nhận được với do và d1 là hai giá trị ngưỡng của bộ tách ngưỡng kép. ........................................... 59 Hình 2. 5. QBER và Psift phụ thuộc vào các giá trị của hệ số tỷ lệ ngưỡng kép  khi PLO= 0 dBm. ............................................................................................. 62 Hình 2. 6. Giá trị QBER và Psift tại phía thu Bob phụ thuộc vào công suất phía phát khi = 1,5 ................................................................................................. 63 vii Hình 3. 1. Sơ đồ khối hệ thống CV-QKD dựa trên vệ tinh sử dụng kỹ thuật truyền lại khóa kiểu ARQ. .............................................................................. 66 Hình 3. 2. Mô hình chuyển đổi trạng thái kênh lượng tử ............................... 71 Hình 3. 3. Sự chuyển đổi các trạng thái của QA-DTMC. ............................... 73 Hình 3. 4. QBER và Psift tại máy thu phụ thuộc vào hệ số tỷ lệ ngưỡng kép trong điều kiện nhiễu loạn khí quyển (a) yếu và (b) mạnh với PT=25 dBm và PLO= 0dBm. .............................................................................................................. 77 Hình 3. 5. QBER và Psift phụ thuộc vào công suất đỉnh bên phát PT trong điều kiện nhiễu loạn khí quyển yếu trong ba trường hợp: QPSK-DT/HD (=0,7 và PLO=0 dBm), QPSK-DT/DD (=0,7) và SIM/BPSK-DT (=0,9) .................. 78 Hình 3. 6. Hệ số QBER phụ thuộc các hệ số suy giảm thời tiết khác nhau (𝛾) trong điều kiện nhiễu loạn khí quyển mạnh với PLO= 0 dBm, GT=130 dB và GR= 131 dB. .................................................................................................... 79 Hình 3. 7. QBER và Psift tại Eve phụ thuộc vào khoảng cách DE_B giữa Eve và Bob trong điều kiện nhiễu loạn khí quyển yếu (=0,7 và 2,1) và nhiễu loạn khí quyển mạnh (=1,4 và 2,4) với PT=25 dBm, PLO= 0 dBm. ............................ 80 Hình 3. 8. Tỷ lệ mất khóa KLR tại máy thu phụ thuộc vào công suất đỉnh phía phát PT trong điều kiện nhiễu loạn khí quyển yếu, PLO= 0 dBm và hệ số tỷ lệ ngưỡng kép =0,7 ........................................................................................... 81 Hình 3. 9. Tỷ lệ mất khóa KLR tại máy thu phụ thuộc vào công suất đỉnh phía phát PT trong điều kiện nhiễu loạn khí quyển mạnh, PLO= 0 dBm và hệ số tỷ lệ ngưỡng kép =1,4 ........................................................................................... 82 Hình 3. 10. Hệ thống QKD-FSO có vệ tinh sử dụng kỹ thuật chuyển tiếp dựa trên hạ tầng trên cao HAP và kỹ thuật truyền lại khóa theo phương pháp ARQ. ......................................................................................................................... 86 viii Hình 3. 11. Sơ đồ khối hệ thống QKD-FSO dựa trên vệ tinh sử dụng kỹ thuật chuyển tiếp dựa trên HAP và kỹ thuật phát lại khóa ARQ. ............................ 87 Hình 3. 12. Tỷ lệ mất khóa KLR theo tốc độ chuỗi bit đến H với điều kiện nhiễu loạn khí quyển yếu (a) và mạnh (b), kích thước bộ nhớ đệm C= 10 chuỗi bit. .................................................................................................................... 98 Hình 3. 13. Tỷ lệ trễ vượt ngưỡng theo tốc độ chuỗi bit đến với điều kiện nhiễu loạn khí quyển yếu (a) và mạnh (b), kích thước bộ nhớ đệm C=10 chuỗi bit.99 Hình 3. 14. Tỷ lệ trễ vượt ngưỡng với kích thước bộ nhớ đệm trong điều kiện nhiễu loạn khí quyển yếu (a) và mạnh (b), tốc độ chuỗi bit đến H= 60 chuỗi/giây. ..................................................................................................... 100 Hình 4. 1. Mô hình hệ thống QKD đa kênh sử dụng SCM-WDM ............... 105 Hình 4. 2. QBER và Psift theo hệ số tỷ lệ ngưỡng kép với Rb = 1,25 Gbit/s và NC = 4 ............................................................................................................ 111 Hình 4. 3. QBER và SKR theo hệ số tỷ lệ ngưỡng kép trong trường hợp nhiễu loạn khí quyển yếu với NC = 1 ...................................................................... 112 Hình 4. 4. QBER và SKR theo hệ số tỷ lệ ngưỡng kép trong trường hợp nhiễu loạn khí quyển yếu với Rb = 1,25 Gbit/s ....................................................... 113 Hình 4. 5. Mô hình hệ thống CV-QKD dựa trên vệ tinh sử dụng kỹ thuật phân chia theo mã .................................................................................................. 114 Hình 4. 6. Sơ đồ khối của: (a) máy phát, (b) máy thu trong hệ thống CV- QKD dựa trên vệ tinh sử dụng kỹ thuật phân chia theo mã. ......................... 115 Hình 4. 7. QBER và Psift tại phía thu Bob phụ thuộc vào giá trị của hệ số tỷ lệ ngưỡng kép khi PT=-2dBm, độ sâu điều chế μ=0,2, số kênh là 3. ................ 122 Hình 4. 8. Sự phụ thuộc của QBER tại máy thu Bob theo công suất phát trong trường hợp số người sử dụng là 3 và hệ số ngưỡng kép là 5. ....................... 123 ix Hình 4. 9. QBER tại Bob theo công suất phát trong trường hợp người dùng thay đổi từ 3 đến 6, độ sâu điều chế μ=0,2 và hệ số tỷ lệ ngưỡng kép =5 .. 124 Hình 4. 10. QBER và SKR theo công suất phát khi hệ số tỷ lệ ngưỡng kép =5 ................................................................................................................. 125 Hình 4. 11. QBER tại Eve theo công suất phát trong trường hợp số người dùng thay đổi ................................................................................................. 126 Hình 4. 12. QBER và Psift tại Eve khi thay đổi hệ số tỷ lệ ngưỡng kép ........ 127 x BẢNG DANH MỤC CÁC BẢNG BIỂU Bảng 1. 1. Ví dụ về tạo khóa chọn lọc trong giao thức BB84 ........................ 18 Bảng 2. 1. Một số giá trị tiêu biểu của các hệ số hấp thụ phân tử .................. 44 Bảng 2. 2. Các pha dùng trong mã hóa, giải mã và các bit kết quả tương ứng. ......................................................................................................................... 53 Bảng 2. 3. So sánh các bước thực hiện của giao thức cơ sở BB84 với giao thức CV-QKD sử dụng phương thức truyền dẫn đề xuất. .............................. 54 Bảng 2. 4. Bảng các tham số mô phỏng hệ thống QKD-FSO dựa trên vệ tinh sử dụng điều chế QPSK và cơ chế tách ngưỡng kép. ..................................... 61 Bảng 3. 1. Sự chuyển trạng thái của DTMC. .................................................. 73 Bảng 3. 2. Các hằng số và các tham số hệ thống dùng trong khảo sát hiệu năng hệ thống đề xuất ..................................................................................... 75 Bảng 3. 3. Xác suất Eve thu chính xác toàn bộ chuỗi bit của khóa thô có chiều dài N=128 bit ......................................................................................... 85 Bảng 3. 4. Sự chuyển trạng thái c